醇类燃料发动机技术与应用现状分析外文翻译资料

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醇类燃料在高性能发动机上的应用

J. W. G. Turner, R. J. Pearson, B. Holland and R. Peck Lotus Engineering

Copyright @ 2007 SAE International

摘要

本文主要探讨了醇类燃料在高性能增压发动机上的应用，重点在发动机轻小化方向上的发展，试验机为使用E85（乙醇体积比例为85%，汽油体积比例为15%）燃料的高速增压跑车发动机。在当前全球变暖与能源供给安全的背景下，发动机能够使用醇类燃料成为了非常重要的性能之一。与气体燃料的储存困难以及热量密度低不同，低碳醇燃料也成为了十分具有吸引力的能源选择之一，包括乙醇燃料与甲醇燃料等。与汽油相比，醇类燃料的热量密度并不高，但是醇类燃料的高辛烷值可以解决在增压发动机上的爆震现象，从而扩大点火提前角的范围。

对于试验机的改造涵盖了对燃油系统的重造，控制喷油量从而在增压前对醇类燃料的汽化潜热进行最大化的利用，这个技术也就是湿压缩。改造发动机使用E85燃油，性能测试结果将会与使用汽油的原机进行比较。本文同时也将讨论蒸发影响与氧替代率，由于醇类燃料的辛烷值高，二者对增压机与点火提前角曲线也有影响。为了阐述辛烷值与点火提前角的关系，点火提前角与进入增压机燃油量的曲线图也会一并展示。本文还讨论了如何使用湿压缩技术以减少蒸发导致的尾气排放。根据现有的数据与车辆问题，本文对于提高乙醇燃料发动机性能的主流技术进行了总结。本文还会讨论如何设计一款具有最佳兼容性的发动机，用以满足目前市场上最大范围的燃料选择以及最高的效率。

替代燃料在乘用汽车上的应用

乙醇对于乘用汽车而言是一个非常具有吸引力的燃料，因为乙醇的生产原料可以为生物质，在使用的过程中能够通过减少部分碳循环从而降低碳排放。从长远来看，甲醇也被认为是一个潜在的储能载体，因为甲醇能够从大气中的CO2直接制取，而且这个碳循环比乙醇的生物制取更短。不论通过哪一种途径，大气中的碳排放都将减少。如果制造业能够提高效率减少气体逃逸，那么从理论上而言，未来大气中的碳排放能够完全被减少。

此外，甲醇与乙醇这些醇类燃料作为替代燃料，一些综合因素使得他们有潜力提高超过汽油机的性能。醇类燃料有较低的空燃比（A/F，限值了汽缸内燃料能够燃烧的最大量），并且分子变更系数、辛烷值、汽化潜热高，如果这些能够得到充分利用的话，醇类燃料的优势会非常大。异辛烷、汽油、乙醇、甲醇、天然气与氢气的基本性质的比较见表1。

不论是何种燃料，安全问题一直都是至关重要的。目前乙醇与甲醇的主要优势在于，燃烧时会产生可视的火焰，并且乙醇与甲醇能够与水完全混溶，这也说明醇类燃料一旦失火能够很简单的扑灭。这也是后来甲醇能够成为某些竞赛类燃料组分的原因之一。由于乙醇在运输燃油方面有着更大的空间，在美国的部分竞赛方案中，乙醇替代了甲醇，在英国汽车锦标赛中也有一个团队使用了乙醇。这也反应了政府的想法：通过提高竞赛中生物燃油的使用率，从而减少这类比赛在环境方面受到的批评。

表1

从表1可以看出与汽油相比，醇类燃料使用在发动机上时有一些非常重要的优势，而且甲醇也确实有一段时间在涡轮增压发动机上作为一种优秀的燃料使用。醇类燃料的可溶性对于大功率发动机而言也是一个巨大的优势。与煤油相比，甲醇的火焰传播速度更高。这就意味着在工作循环过程中，发动机能够尽可能的减少做负功，也就是说在做同样的功的情况下，点火提前角可以减小。尽管燃烧性能无疑是醇类燃料的优势，在某些领域醇类燃料发动机的性能出色，但是醇类燃料含氧导致的热值一直都是其广泛应用的劣势。因为在使用的过程中用户不能频繁加油，因此在民用方面醇类燃料并不理想。醇类燃料的低热值将会在以后进一步进行研究，高辛烷值则意味着醇类燃料常作为燃料组分，与汽油混合使用。在使用四乙基铅作为减少燃油消耗的添加组份之前，醇类燃料曾被视为潜在的汽油主要成分而与汽油混合使用。

表1中的数据来源广泛。数据表明，与汽油相比，气体燃料有着自己的优势，但是由于占用大量氧的体积，除非燃料能够直接在进气门关闭后向汽缸内喷射（例如在增压发动机中），气体燃料在全负荷工况下有着非常大的劣势。氢能源有着比异辛烷高20%的热值，能够提供比汽油更高的能量，但是它的自然极限非常宽，达到了4—75%。同时氢燃料的辛烷值也很高。此外，气体密度越低，越能够在气缸内占据氧的体积，这有利于减少四冲程发动机中的节流损失。

表1数据已经指出，醇类燃料的能量密度比汽油低是它的短板，这也是汽油的优势。图1展示了不同比例的醇-汽油混合燃料的热值，混合燃料的热值低原因在于醇类燃料的热值低，醇类燃料低热值则源于其含氧。但是气体燃料在车辆上只能通过低温与高压储存，与此相比醇类燃料的安装能量消耗低、储存方便，或许使用后者更为现实。乙醇与甲醇都能腐蚀轻金属，所以在实际使用中车辆的燃油系统需要修改，不过这些问题早已得到了解决。比方说，醇类燃料能够比氢能源更加快的得到应用的另一个重要原因在于它可以运输并储存在各种基础设施上。确实，氢能源在运输与储存方面存在非常大的困难，尽管目前这方面有一些成功的案例，但是没有证据能够表面氢能源可以在大规模投入生产，尤其是在车辆上应用。

醇类燃料还有一个启动的问题，由于自身的氢键作用，醇类燃料的挥发性也不是很好。汽油的沸点范围比较大，能够直接挥发形成混合气，因此15%的汽油可以和乙醇混合成E85燃油使用燃油喷射系统，而且不需要很高的喷油压力。醇类燃料直喷能够显著增加汽油机的容积效率，少量醇类与汽油掺烧也能有很大的改善。

图1

在增压发动机中，使用增压前混入燃油能够替代燃油喷射系统，并且同样可以通过减少增压机负荷提高空气温度来增加空气流量，从而影响发动机性能。这种湿压缩技术在飞机起飞的过程中作为辅助推荐，在航空涡轮喷射醇类燃料与含水醇溶液，并得到了长期应用。对于许多航空发动机制造商来说，在增压机前将燃油混入空气是发动机使用燃料的常规手段，而将汽油在增压机前引入也有显著的影响。在增压发动机中，湿压缩技术也能在没有中冷器的情况下将功率提高至108马力/升。醇类燃料也是一个辅助燃料。

在本文的测试结果中，E85乙醇汽油混合燃料用于一款有燃油喷射系统的高性能汽油机。E85燃油目前在瑞士与美国的市场上比较常见，在英国则刚刚投入市场。关于如何最好的将乙醇燃料引入点火式发动机燃料市场还有一场争论，调查也是为了探究在赛车上使用乙醇燃料能否取得最佳效果，通过这样的宣传或许能够吸引到消费者。Saab和他的生物电源团队分析研究发现，由于燃料的高辛烷值与增压发动机的协同作用，使用E85燃油的车辆输出功率增加了20%。

乙醇燃料受到的市场追捧将会带来基础设施的广泛投入，并且不依赖现有的汽油加油站的规模，醇类燃料会发展加速，而这个趋势将会吸引到一批高端原型机制造商。巴西目前引入大量的醇类燃料混用在汽油机上，目前醇类燃料能够使用的最大体积比例为24%，对原机没有进行改造，开创了汽油-醇类混用点火式发动机的概念。如果乙醇燃料发动机在生产过程能够实现减排，那么这个项目对于制造商的吸引力将是巨大的。为了最大化利用乙醇燃料的优势，乙醇燃料的原材料应该来自可再生能源。虽然这个方法存在争议，制造商将会通过提高发动机的油耗来提高性能，进而刺激消费者的消费，并且高端用户也会由于油耗的增加而减少交通成本增加带来的影响。

最后需要注意的是，由于自然燃油储备资源有限，寻找合适的可替代资源变得越来越重要。由于航空燃油要求高热值高密度的燃料，而且燃料可以通过裂解原油获得，未来的发展趋势是航空燃油的优先度会高于普通道路车辆燃油。因此原料为化石燃料的汽油将会最先被取代，汽油也不一定能够用到原油枯竭的时候。笔者认为，醇类燃料一方面是可再生资源，另一方面在乘用方面性能优越，能够解决目前汽油燃料遇到的困境，在未来将会变得越来越重要。

本文使用的发动机有燃油系统，测试结果与在实际中应用会发生的问题在后续中阐述讨论。同时本文还将会对醇类燃料发动机的未来发展方向进行分析与展望。

试验机

本文使用的试验机为Toyota的2ZZ-GE型发动机，该机型为增压发动机，如图2所示。

图2

对于该试验机增压系统前期的调试在其他杂志上有过报导，在此不再赘述。试验机的增压系统使用了Eaton公司的M45型Roots牌增压泵，中冷器为空气冷却，通过运送被废气压缩的冷却空气。图3为试验机的外观，表2展示了试验机使用95#汽油时的关键参数。试验机的调节通过Lotusrsquo; T49系统电控节气门。

图3

表2

在最初对2ZZ-GE的增压应用研究中，试验机抗爆性能非常好，使用95#燃油时最高压缩比能够达到11.5:1。试验机在自然吸气与增压的不同条件下，点火提前角曲线如图4所示。自然吸气式发动机的抗爆性能较好，然而增压发动机的抗爆性能在全负荷阶段限制较大。由图中可得，增压发动机点火提前角的推迟较大，平均在10°左右。使用乙醇燃料旨在减少发动机爆震情况，提高发动机转速。

图4

新燃油的应用

众所周知，E85燃油比95#燃油油耗量高，因此使用乙醇燃料则需对喷油器进行改造，提高喷油量。喷油器在改进后燃油压力达到了3 bar，与改进前的发动机相比，流量从300cc/min提高至425cc/min，从而满足Exige S标准。但即使进行了大流量喷油的改进，计算结果表明当转速超过6500转

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